Datum: 28. 8. 2013 Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.1013 Číslo DUM: VY_32_INOVACE_646 Škola: Akademie - VOŠ, Gymn. a SOŠUP Světlá nad Sázavou Jméno autora: Ing. Michal Hošek Název sady: Používání víceuživatelských počítačových systémů pro Název práce: Úvod do problematiky 3D tisku (prezentace) Předmět: Modelování 3D, Informatika Ročník: I. - IV. Obor: 82-41-M/* (Výtvarné obory) Časová dotace: 45 minut Vzdělávací cíl: Cílem je seznámit žáka s technologií 3D tisku jak v rovině obecné, tak vzhledem ke konkrétním technologiím. Žák bude schopen porovnat jednotlivé metody 3D tisku, posoudit jejich vhodnost pro daný účel a předejít problémům zvolené technologie. Tyto znalosti poslouží jako nutný základ pro další, již praktickou, práci s 3D tiskem. Pomůcky: Projektor a počítac, 3D výtisky (se supporty a bez, různé úrovně vrstev), 3D tiskárna Inovace: Posílení mezipředmětových vztahů, využití multimediální techniky, využití ICT.
Úvod do problematiky 3D tisku
Obsah 1 3D tisk 2 Metody 3D tisku 3 Fused Deposition Modeling (FDM) Materiály Problémy a jejich řešení
3D tisk Aditivní vs. subtraktivní proces Rozlišujeme dva způsoby počítačem řízené výroby trojrozměrných objetků: Subtraktivní (odebírací) Z monotlitického bloku materiálu (kovu, dřeva, kamene) jsou postupně odebírány některé části, dokud nění dosaženo výsledného tvaru. Např. CNC fréza, CNC soustruh. Aditivní (přidávací) Na podložku jsou postupně nanášeny vrstvy materiálu, které se působením fyzikálních sil (např. tepla) spojí ve výsledný tvar. 3D tisk je proces aditivní.
3D tisk Princip fungování Základem je 3D model vytvořený počítačem, obvykle ve fromátu STL. Algorytmus v počítači poté model rozřeže dle zadaných parametů na jednotlivé vrstvy. Z takto zpracovaného modelu je poté generován tzv. G-kód - pracovní předpis přístroje. Přístroj poté provádí jednotlivé instrukce a nanáší tak jednotlivé voxely (volumetric element, obdoba pixelu). Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/file:rapid_prototyping_slicing.jpg
Metody 3D tisku Metody 3D tisku Granulární (SLS, DMLS, a další) Tavení, či slinování vrstev jemného prášku kovu, plastu nebo keramiky. Světelná polymerace (SLA, DLP) Laserový paprsek po vrstvách tvrdí pryskyřici. Laminování (LOM) Jednotlivé vrstvy plastu nebo papíru se nařežou a poté slepí. Extruze (FDM) Zahřátý termoplast je vytlačován (extrudován) tryskou po jednotlivých vrstvách.
Metody 3D tisku Granulární 3D tisk Materiál v podobě velmi jemného prášku je rozprostřen na pracovní plochu. Zdroj tepla (nejčastěji laser) poté působí na plochy, které mají tvořit model ty slinují do pevné podoby. Poté je nanesena další vrstva prášku a proces se opakuje. Přebytečný materiál je po skončení odstaněn vysavačem. + Široká paleta materiálů: kovy a jejich slitiny, keramika, plasty + Efektivní výroba velkých částí - velkoprůmyslové využití - Vysoké pořizovací a provozní náklady - Náročnější obsluha
Metody 3D tisku Zajímavost Netradiční materiál Moučkový cukr je za pomoci horkovzdušné pistole taven do karamelové sochy Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/file:spiralprint.jpg
Metody 3D tisku Světelná polymerace Zdroj světla (laser) kreslí vrstvu do bazénu fotosenzitivní pryskyřice. Pryskyřice na hladině při osvícení ztuhne. Podložka se posune níž a porces se opakuje Tento proces se též označuje jako stereolitografie + Velmi jemné detaily (šperky, aqua-tight objekty) + Rychlost tisku - Vyšší náklady na provoz Zdroj: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:stereolithographie_- _Turmmodell_mit_Wendeltreppe.jpg
Metody 3D tisku Světelná polymerace schéma Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/file:stereolithography_apparatus.jpg
Metody 3D tisku Laminace Materiál se nejprve zahřeje a nalepí na podložku Laser (nebo nůž) obtáhne tvar vrstvy, nepotřebné části vyšrafuje Podložka se odlepí od materiálového pásu Zbylý materiál (odpad) je odstraněn a proces se opakuje + Pořizovací cena - Úroveň detailu a velikost modelů - Vysoké porcento odpadu Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/file:laminated_object_manufacturing.png
Metody 3D tisku Extruze(FDM) - Fused deposition modeling Termopast ve formě vlákna je vtlačován do trysky (extruderu), kde se zahřívá, čímž se snižuje jeho viskozita (zvyšuje se tekutost). Dvouosá soustava servomotorů pohybuje s tryskou nad podložkou. Tryska postupně vytlačuje (extruduje) potřebné množství materiálu. Materiál se rozprostře v požadované tloušťce, a slinuje s předchozími vrstvami. Podložka se posune o vrstvu níž a proces se opakuje. + Pořizovací cena a cena materiálu + Možnost volby poměru čas / úroveň detailu + Výtisky se dají obrábět - Konstrukční omezení některých tvarů (dá se řešit) - Hrubší povrch (také se dá řešit)
Fused Deposition Modeling (FDM) Scéma fungování Zdroj: http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/rarevalo/project2/process.html
Fused Deposition Modeling (FDM) Materiály ABS, PLA a další K tisku metodou FDM se obvykle používají tyto materiály: ABS Akrylonitrilbutadienstyren Průmyslový standard (vyrábí se z něj například i LEGO). Oproti PLA je tvrdší, dá se lépe obrábět, má vyšší tavící teploty, je možné využít acetonové vyhlazování (viz dále). Je nutné kontrolovat postup chaldnutí, portože ABS má tendenci se nerovnoměrně smršťovat. (podložka pro tisk musí být vyhřívaná) PLA polylaktid Netrpí problémy se smršťováním jako ABS, nicméně je nutné pečlivě hlídat teplotu extruderu (cca 210 C). Na rozdíl od ABS není možné použít acetonové vyhlazování. Vyrábí se z organických materiálů a je biodegradovatelný. Další dřevo+polymer (LAYWOO-D3), pískovec+polymer (LAYBRICK),...
Fused Deposition Modeling (FDM) Materiály Zajímavost Netradiční materiál Těsto na vánoční koláčky je vytlačováno za pomoci vzduchu na pečící papír Zdroj(3): http://www.ralfholleis.com/3d-printing-christmas-cookies
Fused Deposition Modeling (FDM) Problémy a jejich řešení Support matriál Vzhledem k principu FDM není možné tisknout do vzduchu. Tento problém nastává u nekonvexních modelů převislé části při rozřezání na vrsty netvoří spojitý tvar. Tento prolém lze řešit několika způsoby: Vhodným rozdělením modelu na více částí, které se po vytištení spojí (slepí, sešroubují). Tiskem tzv. support materálu, který podepře nekonvexní části modelu. Je možné jej generovat automaticky a po vytištění lze jednoduše odstranit.
Fused Deposition Modeling (FDM) Problémy a jejich řešení Příklad Model: http://www.thingiverse.com/thing:24610
Fused Deposition Modeling (FDM) Problémy a jejich řešení Textura na povrchu Principem FDM tiskárny je vrstvení materiálu. Na výtisku jsou tyto vrstvy parné, což je nejen estetický problém pokud bychom chtěli výtisk použít k výrobě formy, bude nám textura povrchu činit problémy. Způsoby řešení: Nastavit tiskárně nižší sílu tištěné vrstvy problém se částečně eliminuje, nicméně se výrazně prodlouží čas tisku. Vyhladit povrch ex-post. U výtisků z materiálu ABS lze použít techinku vyhlazování acetonovými parami.
Fused Deposition Modeling (FDM) Problémy a jejich řešení Ukázka popsaných metod Zprava: bez úprav, tenčí vrstva, acetonové vyhlazování Zdroj: http://blog.reprap.org/2013/02/vapor-treating-abs-rp-parts.html
Fused Deposition Modeling (FDM) Problémy a jejich řešení Výhody a nevýhody 3D tisku Výhody Levná výroba, byť jediného kusu Nízká cena za omyl Přímočarý výrobní proces (od návrhu k výsledek) Recyklovatelnost Nevýhody Špatný poměr čas / počet kusů Konstrukční omezení vyplývající z technologie Textura na povrchu (dá se řešit) Závěr: 3D tisk je ideální pro prototypování, ale nevhodný pro sériovou výrobu.
Prameny a literatura: Použité zdroje (v pořadí): http://en.wikipedia.org/wiki/file:rapid_prototyping_slicing.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/file:spiralprint.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/file:stereolithographie_-_turmmodell_mit_wendeltreppe.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/file:stereolithography_apparatus.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/file:laminated_object_manufacturing.png http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/rarevalo/project2/process.html http://www.ralfholleis.com/3d-printing-christmas-cookies (3x) http://www.thingiverse.com/thing:24610 http://blog.reprap.org/2013/02/vapor-treating-abs-rp-parts.html Všechny uveřejněné odkazy [cit. 28-08-2013] Dílo smí být dále šířeno pod licencí CC BY-SA (www.creativecommons.cz) Materiály jsou určeny pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Všechna neocitovaná autorská díla jsou dílem autora.